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        基于SimulationX的車輛傳動系虛擬試驗臺

        2017-08-01 11:31:43周志立張嘉貞徐立友郭志強
        關(guān)鍵詞:試驗臺馬達測控

        周志立,張嘉貞,徐立友,,郭志強

        (1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院,河南 洛陽 471003;2.中國一拖集團有限公司 河南 洛陽 471004)

        基于SimulationX的車輛傳動系虛擬試驗臺

        周志立1,張嘉貞1,徐立友1,2,郭志強2

        (1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院,河南 洛陽 471003;2.中國一拖集團有限公司 河南 洛陽 471004)

        針對傳統(tǒng)車輛傳動系試驗臺造價高、搭建過程復(fù)雜以及開發(fā)周期長等問題,基于SimulationX開發(fā)了車輛傳動系虛擬試驗臺。以拖拉機液壓機械無級變速器為被試對象,結(jié)合拖拉機工作特性,建立了發(fā)動機及液壓機械無級傳動系統(tǒng)模型,設(shè)計了試驗臺虛擬測控系統(tǒng)。以H1段連續(xù)換入HM3段為例,在試驗臺上進行了仿真。對比結(jié)果表明:仿真結(jié)果和試驗結(jié)果一致,所給出的傳動系虛擬試驗臺方案可行,可為車輛傳動系開發(fā)與改進提供虛擬試驗平臺。

        SimulationX;車輛傳動系;虛擬試驗臺

        0 引言

        液壓機械傳動是一類由液壓傳動和機械傳動復(fù)合的車輛動力傳動形式,通過液壓傳動實現(xiàn)無級變速,通過機械傳動實現(xiàn)高效率大功率輸出,在大功率拖拉機、工程車輛及軍用裝甲車輛上有良好的應(yīng)用前景[1-3]。通過搭建試驗臺對液壓機械傳動系進行相關(guān)試驗,是其性能測試和改進的有效途徑,不僅能夠有效縮減研發(fā)成本,還可以大幅縮短研發(fā)周期。

        目前,國內(nèi)外在傳動系試驗臺的驅(qū)動控制、負載模擬和測控系統(tǒng)等方面做了相關(guān)研究,并取得了一定的成果。文獻[4]對液壓機械雙流傳動系進行了分析和優(yōu)化改進。文獻[5]提出了一種汽車傳動試驗臺驅(qū)動部分的控制方案,可為傳動試驗臺架驅(qū)動部分的控制開發(fā)提供參考。文獻[6]分析了車輛傳動系試驗臺的功能與系統(tǒng)構(gòu)成,并對試驗臺的信號采集與控制系統(tǒng)組成方案進行了分析。文獻[7]開發(fā)了電動拖拉機試驗臺,并基于LabVIEW開發(fā)了虛擬測控系統(tǒng)。以上研究都是針對傳統(tǒng)臺架試驗臺,而傳統(tǒng)試驗臺存在搭建復(fù)雜、造價高、開發(fā)周期長以及可移植性差等問題。為了縮短研發(fā)周期并減少人力物力的消耗,有必要開發(fā)一套模塊化和集成化的車輛傳動系虛擬試驗平臺。

        SimulationX是德國ITI公司研發(fā)的新一代多學(xué)科系統(tǒng)建模設(shè)計和仿真工程軟件,被廣泛用于工程設(shè)計及科學(xué)研究[8-9]。本文以液壓機械無級變速器(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT)為被試對象,通過分析HMCVT的構(gòu)成和工作原理,結(jié)合拖拉機的工作特性,給出了拖拉機HMCVT傳動系試驗臺構(gòu)成方案?;赟imulationX開發(fā)了車輛傳動系虛擬試驗臺,以期在獲得可信模擬度的同時,為HMCVT的性能測試和控制開發(fā)提供虛擬試驗平臺。

        1 HMCVT試驗臺

        1.1 HMCVT的結(jié)構(gòu)及工作原理

        圖1為HMCVT傳動方案。HMCVT由變量泵-定量馬達組成的液壓調(diào)速系統(tǒng)、多檔有級變速箱組成的機械調(diào)速機構(gòu)和單行星排匯流機構(gòu)組成。圖1中:C1、C2、…、C8為換擋離合器;s、c和r分別為太陽輪、行星架和齒圈;e為變量泵和定量馬達排量比;ne和nb分別為變速器輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速。由發(fā)動機輸入的功率經(jīng)分流機構(gòu)后分為兩路:一路為流經(jīng)變量泵-定量馬達的液壓功率流;另一路為流經(jīng)多檔有級變速箱的機械功率流,兩路功率在行星排處匯流后輸出。根據(jù)離合器不同的結(jié)合狀態(tài)和排量比e的變化,可以在變速器前進方向得到6個連續(xù)變速段,倒車方向得到3個連續(xù)變速段,HMCVT速比在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化實現(xiàn)無級變速。

        圖1 HMCVT傳動方案

        1.2 HMCVT試驗臺方案

        圖2為HMCVT試驗臺方案示意圖。HMCVT試驗臺主要由機械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩部分組成。機械系統(tǒng)為試驗臺提供必要的機械支撐,包括發(fā)動機、分流機構(gòu)、被試變速器(HMCVT)、工況模擬系統(tǒng)以及試驗臺輔助支持系統(tǒng)等。測控系統(tǒng)完成對整個試驗臺信息的實時采集、處理及各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制工作。

        圖2 HMCVT試驗臺方案示意圖

        發(fā)動機作為試驗臺的動力源,為整個試驗系統(tǒng)提供動力。發(fā)動機產(chǎn)生的動力經(jīng)主離合器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和扭矩限制器后傳遞至HMCVT。HMCVT內(nèi)部的分流機構(gòu)將動力分為兩路:一路流經(jīng)變量泵-定量馬達系統(tǒng);另一路流經(jīng)多檔有級變速箱,兩者在變速器輸出端匯合后經(jīng)轉(zhuǎn)矩限制器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器傳遞至測功機(工況模擬裝置)。由計算機設(shè)定虛擬加速踏板信號,實現(xiàn)發(fā)動機油門開度的控制。變速器的自動變速由其獨立的控制系統(tǒng)完成,測功機用來模擬車輛行駛中的各種工況,同時吸收傳動系動力并轉(zhuǎn)換為電能反饋到電網(wǎng)。試驗臺測控系統(tǒng)通過傳感器實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)的實時采集及處理,同時對試驗臺各子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)及控制。

        2 傳動系虛擬試驗臺搭建

        2.1 傳動系模型

        2.1.1 發(fā)動機模型

        試驗臺采用與裝機對象相同的LR6105ZT10型柴油發(fā)動機,其調(diào)速特性模型為[10]:

        (1)

        nemax=800+1 600χ,

        (2)

        其中:Me為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;ne為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速,r/min;nemax為發(fā)動機最高空載轉(zhuǎn)速,r/min;χ為發(fā)動機油門開度。

        發(fā)動機動力學(xué)模型為:

        (3)

        (4)

        2.1.2 液壓調(diào)速系統(tǒng)模型

        液壓調(diào)速系統(tǒng)采用同類同規(guī)格的變量泵和定量馬達,建模時假設(shè)液壓元件內(nèi)泄漏為層流,忽略回路低壓側(cè)的外泄露,泵和馬達高低壓側(cè)壓力分別相等,補油無滯后且補油壓力為常數(shù),工作過程中油液密度和黏度不隨系統(tǒng)壓力和溫度變化,忽略定量馬達機械摩擦等非線性因素。根據(jù)以上假設(shè)建立變量泵流量方程、定量馬達高壓腔流量方程以及定量馬達輸出軸力矩平衡方程[11],分別為:

        (5)

        (6)

        (7)

        其中:下標(biāo)p和m分別為變量泵和定量馬達;V為液壓元件的排量,m3/rad;e為變量泵-定量馬達排量比;ω為軸轉(zhuǎn)速,rad/s;Cs為總泄露因數(shù),取1.3×10-8;△p為高低壓油路壓力差,Pa;μ為油液動力黏度,Pa·s,取0.05 Pa·s;V0為油液工作容積,m3;βe為油液彈性模量,Pa,取800 MPa;J為軸的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;f為黏性阻尼因數(shù),取0.16;T為軸所承受的扭矩,N·m;cf為機械摩擦損失因數(shù),取0.05。

        2.1.3 機械調(diào)速機構(gòu)模型

        機械調(diào)速機構(gòu)主要由行星排和換擋離合器組成,針對單個行星排,太陽輪s、齒圈r和行星架c這3個構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩有如下關(guān)系[3]:

        (8)

        其中:ns、nr和nc分別為太陽輪、齒圈和行星架轉(zhuǎn)速,r/min;Ts、Tr和Tc分別為太陽輪、齒圈和行星架轉(zhuǎn)矩,N·m;k為行星排特性參數(shù)。

        2.1.4 負載阻力模型

        拖拉機在工作過程中所受負載阻力比較復(fù)雜,其驅(qū)動力和行駛阻力平衡方程為[12]:

        Fq=Ff+Fw+Fi+Fj+FT;

        (9)

        Ff=Gfcosα;

        (10)

        Fw=0.7BHv2;

        (11)

        Fi=Gsinα;

        (12)

        (13)

        拖拉機田間犁耕作業(yè)時:

        FT=Zb1hkk,

        (14)

        其中:Fq、Ff、Fw、Fi、Fj和FT分別為拖拉機驅(qū)動力、滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力和牽引阻力,N;G為拖拉機總重力,N;f為滾動阻力因數(shù);α為拖拉機田間作業(yè)過程中經(jīng)過田埂或者坑洼的坡度角,(°);B為拖拉機驅(qū)動輪輪距,m;H為外廓高度,m;v為拖拉機速度,m/s;δ0為拖拉機旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算因數(shù);m為拖拉機整車質(zhì)量,kg;m1為拖拉機配套機組質(zhì)量,kg;Z為犁鏵數(shù);b1為單體犁鏵寬度,cm;hk為耕深,cm;k為土壤比阻,N/cm2。

        2.2 HMCVT試驗臺仿真模型的建立

        圖3為HMCVT試驗臺仿真模型,主要由SimulationX模型庫中基本元件構(gòu)成,各元件參數(shù)按理論計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求設(shè)定。圖3中:engine為發(fā)動機;VP為變量泵;FM為定量馬達;C1、C2、…、C8為換擋離合器;planetary為單行星排;i1、i2、…、i6、i7為固定齒輪副;J1、J2和J3分別為各連接軸轉(zhuǎn)動慣量,kg/m2;Jp、Jm、Jc、Js和Jr分別為變量泵、定量馬達、行星架、太陽輪和齒圈轉(zhuǎn)動慣量,kg/m2;模型將減速器、差速器和半軸進行了簡化,用一個固定傳動比齒輪(differential模塊)代替;wheels為簡單車輪模塊;VehicleMass為車身質(zhì)量,kg;發(fā)動機油門開度、變量泵排量比、負載阻力和各離合器液壓操縱系統(tǒng)均用信號(Throttle、e、curve1、curve2、…、curve8模塊)控制;負載阻力由牽引阻力、車輛滾動阻力和加速阻力(Ft、Ff和Fj模塊)組成,忽略了空氣阻力和坡度阻力。

        2.3 試驗臺測控系統(tǒng)

        試驗臺測控系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分構(gòu)成,其中,硬件部分主要由工控機、數(shù)據(jù)采集卡和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器等組成,實現(xiàn)試驗過程中的人機交互、數(shù)據(jù)采集、子系統(tǒng)管理及數(shù)據(jù)處理等功能;軟件部分主要包括輸入輸出接口軟件、人機交互前面板、儀器驅(qū)動程序和功能算法程序等,基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺進行設(shè)計。

        圖3 HMCVT試驗臺仿真模型

        2.3.1 測控系統(tǒng)軟件構(gòu)成

        試驗臺測控系統(tǒng)軟件采用層次式軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計,同時采用人機信息交互界面,實現(xiàn)對試驗的過程控制,以及對試驗結(jié)果的實時顯示和分析處理。

        試驗臺測控系統(tǒng)主要由3個模塊組成:參數(shù)設(shè)置模塊、性能試驗?zāi)K和試驗數(shù)據(jù)處理模塊。每個模塊又由不同的子模塊組成。參數(shù)設(shè)置模塊主要完成試驗前的準(zhǔn)備工作,實現(xiàn)傳動系各參數(shù)的設(shè)定以及聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)通信接口設(shè)置。性能試驗?zāi)K主要實現(xiàn)對要進行的試驗項目的選擇,進而根據(jù)不同試驗要求進行有針對性的試驗方法以及數(shù)據(jù)采集分析處理,從而完成對HMCVT無級調(diào)速特性、控制策略等的試驗驗證和優(yōu)化,為HMCVT的裝車提供參考。試驗數(shù)據(jù)處理模塊主要實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的實時顯示、保存以及打印功能。

        2.3.2 測控系統(tǒng)前面板

        測控系統(tǒng)前面板是試驗人員與試驗臺之間信息交流的橋梁,可以方便試驗人員通過面板上的調(diào)整旋鈕等輸入控件對系統(tǒng)進行調(diào)試和控制,而試驗臺顯示控件可以實時顯示所采集到的各種信息以及系統(tǒng)的工作情況。

        HMCVT虛擬試驗臺測控系統(tǒng)前面板主要包括試驗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、速比、溫度和當(dāng)前擋位等的實時顯示,以及試驗數(shù)據(jù)和曲線的存儲與繪制等。試驗開始前,需要對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置和標(biāo)定,系統(tǒng)自檢完成后就可以進行試驗。試驗過程中,試驗人員可以通過控制旋鈕對試驗參數(shù)進行調(diào)試,然后通過顯示控件觀察試驗結(jié)果變化,并可以按下“STOP”按鈕中斷試驗。試驗完成后,可對當(dāng)前試驗數(shù)據(jù)進行存儲,以便對試驗結(jié)果進行分析和處理。

        3 仿真結(jié)果與臺架試驗結(jié)果對比

        本文對仿真結(jié)果和HMCVT的實際臺架試驗結(jié)果進行了對比,驗證所搭建虛擬試驗臺的有效性。臺架試驗系統(tǒng)的動力源為6RZT8型柴油發(fā)動機,加載裝置由CW150型電渦流測功機和自制電液比例控制盤式制動器并聯(lián)構(gòu)成。工況設(shè)定如下:發(fā)動機油門開度處于最大位置,HMCVT負載保持為500 N·m,在10 s內(nèi)連續(xù)調(diào)整HMCVT速比ib,使變速器從H1段依次切換到HM3段,換段點在3 s和6 s 處。

        圖4為仿真結(jié)果與臺架試驗結(jié)果對比圖。圖4中:ib為HMCVT速比變化曲線;nb為HMCVT輸出軸轉(zhuǎn)速的變化特性;Tp、nm分別為變量泵-定量馬達系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速在無級變速過程中隨變量泵排量比e正負交替變化的響應(yīng)特性。仿真結(jié)果和臺架試驗結(jié)果基本一致,驗證了建模方法及車輛傳動系虛擬試驗臺的可行性。

        圖4 仿真結(jié)果與臺架試驗結(jié)果對比

        仿真結(jié)果和試驗結(jié)果對比表明:HMCVT在各段內(nèi)運行平穩(wěn),但是在各換段點處各參數(shù)有波動。其中,HM2-HM3換段點比H1-HM2換段點波動更大,這是由于前者的變量泵馬達系統(tǒng)負載更大,導(dǎo)致?lián)Q段時變量泵轉(zhuǎn)矩和馬達轉(zhuǎn)速波動明顯,進而引起HMCVT速比和輸出軸轉(zhuǎn)速的波動。因此,在HMCVT控制策略的研究及改進中,需考慮負載變化對換段點的影響。

        4 結(jié)論

        (1)以HMCVT為研究對象,通過對HMCVT傳動系試驗臺結(jié)構(gòu)和原理的分析,結(jié)合拖拉機的工作特性,建立了發(fā)動機及HMCVT傳動系模型,設(shè)計了試驗臺虛擬測控系統(tǒng),基于SimulationX建立了車輛傳動系試驗臺的物理仿真模型。

        (2)以H1段連續(xù)換入HM3段為例,通過虛擬試驗臺進行了仿真,并與實際臺架試驗進行了對比。仿真結(jié)果和試驗結(jié)果契合度較好,建模方法及試驗臺的可行性得到驗證,可為HMCVT控制策略研究及其他同類傳動系改進提供虛擬試驗平臺。

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        國家“十二五”科技支撐計劃基金項目(2014BAD08B04);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究基金項目(152300410080);中國博士后科學(xué)基金項目(2015M582212)

        周志立(1957-),男,河南偃師人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事車輛新型傳動理論與控制技術(shù)等方面的研究.

        2016-03-11

        1672-6871(2017)02-0069-05

        10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.013

        S219.032.1

        A

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